Sterilisation

mini|Apparat zur Sterilisierung der Operationsinstrumente im Verwaltungsgebäude der Schweiz. Kranken- und Hilfsanstalt, 1914–1918 mini|Groß-Sterilisationsanlage (1956)

Mit Sterilisation, Sterilisierung und Entkeimung bezeichnet man Verfahren aus dem Bereich der Hygiene, bei dem Materialien und Gegenstände von lebenden Mikroorganismen einschließlich ihrer Ruhestadien (z. B. Sporen), sowie Viren befreit werden. Nach der entsprechenden Behandlung bezeichnet man die sterilisierten Materialien und Gegenstände als „steril“.

Bei der Sterilisation von Materialien (z. B. Lebensmittel, Pharmazeutika, Lösungen), medizinischen Instrumenten, Implantaten, Gegenständen, Verpackungen, Geräten (z. B. Endoskope) und Gefäßen (z. B. zur Kultur von Mikroorganismen) werden (im Idealfall) alle enthaltenen oder anhaftenden Mikroorganismen einschließlich deren Dauerformen (beispielsweise Sporen) abgetötet sowie Viren, Prionen (infektiöse Proteine), Plasmide und andere DNA-Fragmente zerstört.

In der Praxis gelingt eine vollständige Sterilisation nicht mit 100-prozentiger Sicherheit. Es wird deshalb eine Reduktion der Anzahl an vermehrungsfähigen Mikroorganismen um einen je nach Anwendungsbereich bestimmten Faktor (in Zehnerpotenzen) gefordert oder eine bestimmte Wahrscheinlichkeit der vollständigen Sterilisation. Zum Beispiel wird gefordert, dass der Restgehalt an vermehrungsfähigen Mikroorganismen in einer Einheit des Sterilisierguts höchstens 10−6 beträgt, das heißt: In einer Million gleichbehandelten Einheiten des Sterilisierguts darf nur ein vermehrungsfähiger Mikroorganismus enthalten sein.

Sterilisiert wird durch physikalische (thermisch, Bestrahlung) oder chemische Verfahren.

Seit Anfang der 1880er Jahre wurden Dampfsterilisatoren und andere Sterilisationsapparate in den Laboratorien von Robert Koch, Louis Pasteur und ihren Schülern benutzt. 1882 ließ Friedrich Trendelenburg in der Chirurgischen Universitätsklinik Bonn einen Dampfsterilisator einbauen. Die Sterilisation von chirurgischen Instrumenten durch Abkochen, trockene Hitze und Abflammen wurde um 1883 durch Octave Roche Simon Terrillon eingeführt. Die allgemeinen Einführung der Dampfsterilisation in die Chirurgie erfolgte 1886 durch Ernst von Bergmann und Curt Schimmelbusch.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 50–51.

Abgrenzung des Begriffs Die ebenfalls an Stelle von „steril“ verwendete Bezeichnung „keimfrei“ (siehe auch Asepsis) ist weniger präzise ausgedrückt, da es sich bei der Sterilisation nicht nur um die Entfernung oder Abtötung von bestimmten Entwicklungsstadien der Mikroorganismen, nämlich Keimen, handelt, sondern um die Entfernung oder Abtötung sämtlicher Mikroorganismen in jedem Entwicklungsstadium. Die Bezeichnung „keimfrei“ basiert auf dem ungenaueren Begriff „Keim“ für Mikroorganismen, der die Sporen jedoch nicht mit berücksichtigt.

Als Pasteurisierung bezeichnet man dagegen eine Teilentkeimung, bei der nur die vegetativen Formen von Mikroorganismen abgetötet werden.Kompaktlexikon der Biologie. Sterilisation Spektrum der Wissenschaft, abgerufen am 5. März 2023

In der technischen Abgrenzung zur Desinfektion wird bei der Sterilisation in der Regel eine um eine Zehnerpotenz höhere Wahrscheinlichkeit der vollständigen Sterilisation gefordert.

Sterilisationsmethoden Thermische Sterilisation Für die Sterilisation durch Erhitzen ist die Absterbe-Kinetik von Mikroorganismen von Bedeutung. Das Absterben in einer Mikroorganismen-Population ähnelt dem Zerfall radioaktiver Elemente insofern, als die Anzahl der Überlebenden bei sich nicht vermehrenden Mikroorganismen exponentiell mit der Zeit abnimmt (so wie die Anzahl der noch nicht zerfallenen Atome eines radioaktiven Elements). In jeder Zeitspanne ist der relative Anteil der abgestorbenen Individuen einer Population gleich.

Dezimalreduktionszeit mini|Überlebenskurve

Man bezeichnet die Zeit, in der neun Zehntel der Population absterben, die Population also auf ein Zehntel reduziert wird, als Dezimalreduktionszeit D (D-Wert). Diese Zeit ist stark von Art oder Stamm des Mikroorganismus, der Temperatur und weiteren Bedingungen abhängig, vor allem der Wasseraktivität, dem pH-Wert sowie der Ionenstärke. Die Dezimalreduktionszeit wird als und typischerweise mit der Temperatur als Index bezeichnet. Nimmt man an, dass die Sterbegeschwindigkeit proportional zur Anzahl der Keime ist, dann ist der Restkeimgehalt gegeben durch:

mit Anfangskeimzahl , Keimzahl und der Sterilisationszeit .

Typischerweise wird für die Sterilisation gefordert, dass die Anzahl der lebenden Individuen um sechs Zehnerpotenzen (also auf ein Millionstel, ) vermindert wird, daher muss die Dauer der Sterilisation mindestens das Sechsfache der Dezimalreduktionszeit betragen. Bei einer Desinfektion ist zum Vergleich nur eine Reduktion auf vorgesehen.

Die konkrete Anzahl der verbleibenden Organismen ist dabei von der Ausgangszahl abhängig, die je nach Aufgabe schwer oder unmöglich zu ermitteln sein kann. Sind anfänglich durchschnittlich etwa 104 Sporen in jeder Probe enthalten, so wird nach einer Erhitzungsdauer von 4 D im Mittel eine Spore überleben. Bei 5 D sind mehr als 90 % der Proben steril, bei 6 D 99 %. Bei einem Ausgangsgehalt von 105 Endosporen ist zum Erreichen derselben Sicherheit eine Erhitzungsdauer von 7 D erforderlich.

Die Dezimalreduktionszeit unter standardisierten Bedingungen ist zugleich ein Maß für die Resistenz eines Mikroorganismus gegen die Sterilisationsbedingungen. Beispiele für Dezimalreduktionszeiten von Bakterien-Endosporen in Wasser (Wasseraktivität ), bei 121 °C in Minuten Bakterien-Art D121 °C / Minuten Bacillus subtilis 0,4–0,8 Bacillus cereus 0,03–2,3 Bacillus stearothermophilus 2,0–5,0 Bacillus polymyxa ~0,005 Clostridium botulinum 0,1–0,2 Clostridium sporogenes 0,1–1,5 Clostridium thermosaccharolyticum 69–70 Desulfotomaculum nigrificans 2,0–3,0

Die Dezimalreduktionszeiten von Bakterien-Endosporen liegen im trockenen Milieu wesentlich höher. Zum Sterilisieren im trockenen Zustand sind also höhere Temperaturen und längere Einwirkzeiten erforderlich. Siehe unten Erhitzen im trockenen Zustand

Für ein Individuum bedeutet diese Absterbekinetik: Die Wahrscheinlichkeit, dass es beim Erhitzen während der Zeitdauer D abgetötet wird, beträgt immer 90 %, die Wahrscheinlichkeit des Überlebens beträgt 10 %. Die Wahrscheinlichkeit, dass es in der nächsten Zeitspanne D abgetötet wird, ist wieder 90 %, die Wahrscheinlichkeit, dass es in der Zeit 2 D abgetötet wird, beträgt entsprechend 99 %.

Nach mehrmaligem Zeitablauf D nähert sich die Überlebenswahrscheinlichkeit null an. Eine vollständige Sicherheit, dass nach einer bestimmten Erhitzungsdauer alle Mikroorganismen im Sterilisiergut abgetötet sind, kann aber nicht erreicht werden. Ist nach einer Erhitzung nur noch 1 vermehrungsfähiges Individuum vorhanden, so besteht nach weiterem Erhitzen für die Dauer von D für das letzte Individuum immer noch eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 10 %.

12D-Konzept Bei der Hitzesterilisation von Dosenkonserven wird oft das sogenannte 12D-Konzept angewendet. Dabei nimmt man an, dass je Portion (Dose) vor der Sterilisation nicht mehr als etwa 106 Bakterienendosporen (die hitzeresistentesten Lebensformen) enthalten sind, und dass die Portionen mit einer (maximalen) Wahrscheinlichkeit von 10−6 noch lebende Organismen enthalten sollen. Dann ist also der Gehalt an Endosporen durch das Erhitzen um 12 Zehnerpotenzen zu vermindern. Die bei der Temperatur T erforderliche Erhitzungsdauer tT ist also

In der Praxis liegen im Sterilisiergut fast immer Mischpopulationen vor, deren Komponenten verschiedene DT-Werte besitzen. Die Erhitzungsdauer muss also nach dem höchsten DT-Wert der enthaltenen Mikroorganismen ermittelt werden. Relevant sind alle Organismen, die in einer nicht zu vernachlässigenden Konzentration enthalten sind.

Beispiel: In einer Probe sind 106 Mikroorganismen A mit einem DT von 1 Minute sowie 101 Mikroorganismen B mit einem DT von 2 Minuten enthalten. Dann muss die Probe zur Verminderung auf einen Gehalt von jeweils 10−6 im Fall des Mikroorganismus A um zwölf mal eine Minute, also 12 Minuten, und im Fall des Mikroorganismus B um sieben mal zwei Minuten, also 14 Minuten, erhitzt werden. Obwohl der Gehalt an hitzeempfindlicheren Mikroorganismen A (DT = 1) einhunderttausendmal höher ist als der der doppelt hitzeresistenteren (DT = 2), richtet sich die Erhitzungsdauer (F-Wert) dennoch nach dem D-Wert der hitzeresistenteren Mikroorganismen B, da sonst nicht die gewünschte Wahrscheinlichkeit der Sterilität erreicht wird.

z-Wert Die Absterberate von Mikroorganismen nimmt mit der Temperatur zu, der D-Wert also ab. Die Abhängigkeit des D-Werts von der Temperatur wird durch den z-Wert charakterisiert. Er gibt an, um welchen Betrag die Temperatur erhöht werden muss, um den D-Wert auf ein Zehntel zu vermindern, also um den Abtötungseffekt auf das Zehnfache zu steigern. Dafür gilt folgende Formel:

Wie der D-Wert ist auch der z-Wert charakteristisch für verschiedene Mikroorganismen.

F-Wert

Beim Sterilisieren durch Erhitzen ist eine Aufheiz- und eine Abkühlungsphase zu durchlaufen, während derer auch letale Temperaturen erreicht werden, die aber nicht so wirksam sind wie die höhere Temperatur der Haltephase. Diese Phasen tragen aber auch zum Sterilisationseffekt bei. Um für den Gesamteffekt ein einfaches Maß zu haben, wurde der F-Wert eingeführt. Er ist ein Maß für die Summe aller Abtötungseffekte während des gesamten Erhitzungsprozesses einschließlich Aufheiz-, Halte- und Abkühlungsphase, angegeben als Zeitäquivalent für eine Referenztemperatur. Die Abtötungseffekte sind in der Aufheiz- und der Abkühlungsphase wegen der geringeren Temperaturen geringer als in der Haltephase, und zwar abhängig vom z-Wert, der für die jeweiligen Mikroorganismen charakteristisch ist.

In der Praxis wählt man als Referenztemperatur 121,1 °C (entspricht 250 °F) und als z-Wert 10. Der sich daraus ergebende Wert wird als F0-Wert bezeichnet. Er wird in Minuten angegeben. Ein F0-Wert von 8 bedeutet also, dass der gesamte Erhitzungsvorgang auf Mikroorganismen mit dem z-Wert 10 den gleichen Abtötungseffekt hat wie eine Erhitzung von 8 min bei 121,1 °C.

Erhitzen im feuchten Zustand: Dampfsterilisation mini|Autoklav

Feuchte Hitze eignet sich besser zur Sterilisation als trockene Hitze. Das Erhitzen im Autoklav wird auch als Dampfsterilisation bezeichnet und ist das Standardverfahren in den meisten Labors und Krankenhäusern (ZSVA). Es wird auch bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln in Konservendosen und Glasverpackungen angewendet. Dabei wird das Sterilisier- oder Füllgut 20 Minuten auf 121 °C bei zwei bar Druck in Wasserdampf erhitzt oder 5 Minuten auf 134 °C bei 3 bar. Zur Zerstörung von Prionen wird 18 Minuten auf 134 °C bei 3 bar erhitzt.Ph. Eur. 5. Ausgabe Seite 652.

Die Luft im Inneren des Autoklaven wird dabei vollständig durch Wasserdampf ersetzt. Die tatsächliche Dauer eines Sterilisationsvorganges hängt von verschiedenen technischen Ausführungen der Autoklaven ab, wie Größe, Heizleistung, Vakuumpumpen und weiteren technischen Faktoren. Die Autoklaven fallen unter die Druckgeräterichtlinie und Medizinproduktegesetz bzw. Medizinprodukte-Betreiberverordnung und bedürfen daher einer ständigen technischen Überwachung und Sicherheitskontrolle.

+Hitzeresistenz Resistenzstufe Organismus/Krankheitserreger Temperatur (°C) Zeit (min) I Pathogene Streptokokken, Listerien, Polioviren 61,5 30 II die meisten vegetativen Bakterien, Hefen,Schimmelpilze, alle Viren außer Hepatitis-B 80 30 III Hepatitis-B-Viren, die meisten Pilzsporen 100 5–30 IV Bacillus-anthracis-Sporen 105 5 V Bacillus-stearothermophilus-Sporen 121 15 VI Prionen 132 60

Erhitzen im trockenen Zustand: Heißluftsterilisation mini|Heißluftsterilisator mini|Dampfsterilisator